“令人震撼”：富含铁元素的免疫细胞助力信鸽导航

新研究揭示了感知地球磁场的一种惊人机制

2026年5月28日 下午2:00 ET 作者：Erik Stokstad

飞行中的赛鸽。信鸽可能依靠富含铁元素的免疫细胞来感知磁场以进行导航。

在动物无数种感官中，最神秘且最具争议的莫过于对磁场的感知。迁徙鸣禽、海龟以及其他生物不知何故能够探测到地球的磁场，并利用其方向性来辅助导航。如今，一篇发表在《科学》（Science）期刊上的论文发现了一种令人惊讶的机制：信鸽肝脏内富含铁元素的免疫细胞，似乎赋予了这些鸟类“磁罗盘”。

“这个概念……简直令人震撼，”北卡罗来纳大学教堂山分校的感官生态学家凯瑟琳·洛曼（Catherine Lohmann）说道，她并未参与这项研究。“这确实是一个全新的方向，也为文献中长期存在的争议提供了一个非常新颖的视角。”

许多动物都拥有受磁场指引的方向感，包括鸟类、海龟、鲨鱼甚至狗。甚至有少数研究人员认为人类可能也残留着某种磁觉。这种感官的确切工作原理一直是激烈争论的焦点。早期的假说认为，嵌入动物组织内的微小磁铁矿晶体在某种程度上像指南针一样起作用。而一个较新的观点是，视网膜中一种名为“隐花色素”的蛋白质会对磁场产生反应；这使得迁徙鸣禽即使在暮色微光中也能朝正确的方向飞行。去年，研究人员在研究信鸽时发现了另一种机制。实验室实验表明，变化的磁场会在它们的内耳中诱导出电流，从而刺激通向大脑的神经。

这项新研究在信鸽身上的发现，始于一次偶然的相遇。在参加一次科学会议时，在马克斯·普朗克动物行为研究所研究迁徙物种的鸟类学家马丁·维克尔斯基（Martin Wikelski）与波恩大学的免疫学家克里斯蒂安·库茨（Christian Kurts）攀谈起来。在维克尔斯基描述了磁场在动物导航中的作用后，库茨提到，他发现从小鼠和人类脾脏中提取出的、被称为“巨噬细胞”的免疫细胞中，含有微小的磁性铁颗粒。这些颗粒是在巨噬细胞分解老旧红细胞并隔离其铁原子时形成的。类似的免疫细胞是否也在信鸽的导航中发挥作用呢？

库茨有一个验证该假说的想法，于是他请来了波恩大学的博士后研究员克利维娅·利索夫斯基（Clivia Lisowski）来主导这项调查——她长期以来一直对细胞如何感知环境着迷。“我一下子就着迷了，”她回忆道。

首先，利索夫斯基检查了信鸽的各种组织是否显示出与小鼠免疫细胞相同的微小磁性颗粒。她和同事们原本期望在脾脏中发现热点，因为在哺乳动物中，脾脏是巨噬细胞回收红细胞的主要场所。然而，一台高灵敏度的磁力计显示，在所有被检测的组织中，肝脏的信号最强。虽然信号相对微弱，但仍比仪器的背景噪声水平高出20多倍。

对信鸽组织薄片的仔细染色证实，一种名为“铁蛋白”的铁元素形式在肝脏巨噬细胞中大量存在，但在脾脏中却很少，在喙或大脑中则完全没有。通过电子显微镜的进一步观察还显示，许多信鸽的肝脏巨噬细胞紧邻神经元。在哺乳动物中，脾脏中的神经元可以与巨噬细胞交流，而在哺乳动物和鸟类中，这些神经元也都与中枢神经系统相连。

接下来，研究人员通过一个简单而巧妙的实验，测试了这些富含铁的巨噬细胞是否充当了信鸽的磁罗盘：使用一种名为“氯膦酸脂质体”的药物来敲除（清除）巨噬细胞。研究团队训练了34只信鸽（一个因擅长认路而培育出的品种）沿正东方向飞行19公里的路线。在白天，信鸽利用太阳的位置来辨别方向。但当阴天且完全多云时，它们则依靠磁觉来确定方位。在博登湖附近，研究团队给18只鸟注射了氯膦酸脂质体，24小时后，当浓密的云层完全遮住太阳时，将它们逐一放飞。这些鸟都配备了GPS发射器，因此团队可以实时追踪它们。

信鸽在晴天时通过太阳位置定向，阴天时则依靠磁觉。在多云条件下，拥有正常肝脏巨噬细胞的信鸽能毫无问题地沿训练过的19公里路线飞行。当注射氯膦酸脂质体敲除肝脏巨噬细胞后，信鸽在晴天仍能毫无问题地沿路线导航。然而，在阴天，肝脏巨噬细胞耗尽的信鸽在回家的路上挣扎不已——这表明免疫细胞在鸟类的磁觉中发挥了作用。

这18只鸟全部彻底迷失了方向，直到天空放晴后才返回家园。相比之下，另外16只接受模拟注射（未含药物）后放飞的鸟，则立即径直飞回了家。“对我来说，这是第一个迹象，表明确实有非常令人兴奋的事情正在发生，”维克尔斯基说。为了排除药物使鸟类迷失方向或导致其他副作用使其迷路的可能性，研究人员在晴天放出了注射过药物的鸟。它们飞回家完全没问题。

“这是一个极其令人兴奋的发现，”博灵格林州立大学的神经行为学家弗纳·宾曼（Verner Bingman）说。不过，他将这项研究视为一个“概念验证”，认为应该进行更深入的调查。宾曼表示，与其敲除巨噬细胞，他更希望看到一项操纵肝脏磁信息的实验。类似的干预曾在20世纪70年代的实验中进行过，当时研究人员给信鸽装上了金属线圈，改变了它们头部周围的磁场，导致它们朝相反的方向飞行。

隆德大学的动物生态学家苏珊娜·奥克松（Susanne Åkesson）表示，关于肝脏在导航中潜在作用仍有几个问题尚待解答，例如巨噬细胞如何将磁信息传递给附近的神经元。一种设想是，当鸟类相对于地球磁力线的位置发生变化时，铁蛋白会改变方向并拉动巨噬细胞内的纤维网，可能触发信号分子的释放。

维克尔斯基说，如果铁蛋白机制得到证实，那么它“可能非常普遍，从蜜蜂、蝙蝠到鲸鱼、鲨鱼都适用”。但洛曼仍然持谨慎态度。与信鸽飞回家不同，对动物磁觉的研究很少走直线捷径。“我认为时间会证明它是否正确，”洛曼说，“但这确实引人入胜。”

Homing pigeon navigation relies on superparamagnetic macrophages under overcast conditions

编辑摘要

长期以来人们已知，鸟类至少在一定程度上依赖磁感受来指引它们的行动。这种感受背后的机制似乎多种多样，且仍在不断被发现中。此前，生理上的连接已在头部（包括喙、眼睛和大脑）被发现，但利索夫斯基（Lisowski）等人现在在肝脏中鉴定出了超顺磁性的巨噬细胞（参见 Spiro 和 Drakesmith 撰写的观点文章）。在无法看到太阳的阴天，那些磁性巨噬细胞被耗竭的信鸽无法导航回家。作者得出结论：当阳光不再照耀时，这些基于肝脏的巨噬细胞是导航所必需的。——萨莎·维尼耶里（Sacha Vignieri）

摘要

鸟类使用多种导航策略，包括利用地磁场，尤其是在其他线索（如在阴天或夜间条件下）不可用的情况下。为了解释磁感受，研究者曾提出过喙部的磁铁矿颗粒、眼睛中的隐花色素、细胞离子通道的改变以及前庭系统的变化等多种机制，但确切的机制仍存在争议。在此，我们利用物理、形态、功能和基因组学分析，鉴定出了肝脏中超顺磁性巨噬细胞的存在。我们发现，在巨噬细胞耗竭后，在阴天条件下飞行的信鸽失去了它们惯常的定向能力。而当太阳可见时，没有巨噬细胞的鸟类的定向能力并未受损，这表明太阳是它们的主要线索。我们提出，在信鸽中，肝脏中的超顺磁性巨噬细胞是寻找磁方向所必需的。

对于许多动物来说，确定自己在地球上的位置并保持朝向目标目的地的正确路线的能力（即导航），对于生存至关重要（1, 2）。野外研究表明，当视觉等其他感官受限时，许多物种依赖磁场定向（3, 4）。长期以来，鸟类为研究导航提供了一个极佳的模型系统。例如，在夜间或阴天迁徙的鸣禽能够保持一个经磁场校准的飞行方向（该方向在日落时设定），并持续飞行数百公里（5, 6）。信鸽利用视觉地标和/或环境气味来确定自身位置，也可能使用“磁地图”（7）。为了保持选定的路线，鸟类使用太阳罗盘或磁罗盘，两者可能独立运作。与其他具有明确定义的感觉受体器官的脊椎动物感觉系统不同（8），尽管经过数十年的深入研究，磁感受的机制仍然难以捉摸且存在广泛争议（9–15）。

迄今为止，已提出三种主要机制来解释磁感受。第一种是通过鸟类视觉系统中的隐花色素进行化学磁感受（16–18）。根据这一理论，隐花色素中光诱导的自由基对反应提供了足够的活化能来产生磁方向信号，使鸟类能够“看到”叠加在视觉场景上的磁场（19）。然而，由于隐花色素依赖于光，这种机制无法轻易解释在完全黑暗中的导航。此外，隐花色素假说在实验上难以复现，且在自然黑暗条件下持续进行磁导航的证据有限。像艾姆伦漏斗（Emlen funnel，一种用于通过观察夜间躁动并收集衬垫地板上的爪痕来研究鸟类迁徙定向的约束装置）这样的行为测定实验（20），并不能完全重现自然环境，且容易产生实验者间的差异（21），这进一步使结果解释变得复杂。

第二种假说认为，上喙细胞中的三价铁（Fe3+）或磁铁矿（Fe3O4）颗粒会与地球磁场对齐，并可能通过三叉神经传递方向信息（10, 22）。第三种更为理论化的模型认为，磁场的变化可能会影响离子通道活动或膜动力学，但涉及的细胞类型和神经通路尚未被确定（23）。沿着这一思路，最近一项研究确定了在人工磁刺激后，信鸽大脑的前庭和 Pallial（皮层样）区域出现了神经元活动（24），这表明这些部位也可能参与处理磁感觉信息。尽管该研究尚未确定潜在的分子机制，且需要验证其在导航行为中的体内相关性，但它支持了不依赖光的磁感受的存在，并提示了可能的大脑候选区域。总体而言，这些假说均无法完全解释磁感受，关键的机制空白仍然存在。

我们此前曾报道，小鼠和人类脾脏红髓中的巨噬细胞具有内在的超顺磁性（25）。这是由于它们降解受损或衰老红细胞的功能，导致血红蛋白中的铁被释放；这些铁以铁蛋白的形式储存在这些巨噬细胞中，铁蛋白是一种以无毒形式隔离铁的蛋白质复合物（26, 27）。这些动态的球形蛋白质纳米笼可以以矿化形式储存多达4500个铁原子，并以可溶性细胞质蛋白的形式存在，或与囊泡区室（如溶酶体）相关联（28, 29）。目前尚不清楚这些磁性是否参与了磁感受。

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